CN107894527B - 基于电光效应的随机波导光栅电压传感器及其电压检测方法 - Google Patents

Abstract

基于电光效应的随机波导光栅电压传感器及其电压检测方法，提出一种利用在电光材料上制备的随机波导光栅检测电压的方法。该方法是将随机波导光栅作为传感头，当有电压作用到随机波导光栅时，由于光波导的电光效应，引起随机波导光栅折射率调制度和有效折射率的改变，根据随机波导光栅的反射谱与没有电压作用的光栅反射谱的相关曲线峰值对应的波长偏移与外加电压呈线性关系，实现对电压的检测。该方法结构简单灵活，有利于推广应用。

Description

基于电光效应的随机波导光栅电压传感器及其电压检测方法

技术领域

本发明属于波导光栅和传感器领域，具体涉及基于电光效应的随机波导光栅电压传感器及其电压检测方法。

背景技术

随着电力工业的快速发展，因传统的铁芯式电压互感器具有抗电磁干扰能力差，易爆，体积大，价格高等缺陷，故电压互感器的更新换代是必然的，研制出性能稳定，准确度高，结构简单，成本低的互感器将成为研究者所追求的目标，也是目前研究的热点。传统的电压传感一般采用克尔效应、普克尔效应、电气回转效应、场致发光效应等。光纤电压传感器是随着光纤技术发展起来的一种新型电压测量装置，与传统电压测量设备相比，其优点是：耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰；测量精度高、安全、可靠、稳定；易于小型化和智能化，可进行多功能测量，尤其是可以形成传感网络，实现远距离监控和遥测.但是其系统复杂、受环境影响大、制作成本高等缺陷阻碍了其实用化进程。

光纤电压传感器主要分为传光型(光纤只作为光信号的传输介质，以其他光学材料作为电压的敏感元件)和传感型(光纤不仅负责光的传输，而且要作为光调制的敏感元件)。传光型光纤电压传感器主要利用具有线性电光效应的电光晶体实现电压测量，传感型光纤电压传感器主要有相位型和光谱型两种。相位型光纤电压传感器利用线性压电元件或电致伸缩元件作为相位调制器，采用干涉原理检测光相位的变化，易受环境影响发生消偏及相位差扰动。光谱型的光纤电压传感器将电压信号转换为光纤光栅敏感的应变或温度信号，通过检测布拉格反射中心波长漂移量实现电压的测量。

20世纪80年代以来，国外就开始涉足光纤电压传感器的研究，逐渐向小型化、智能化、多用途、新型材料应用等高技术含量方向发展，比如利用圆石英晶体的逆压电效应或单光纤布拉格光栅用于监测高电压和交流电。国内光纤电压传感器的研究虽然起步较晚但是发展迅速，也取得了丰硕的成果，比如，之前有学者提出将长周期光纤光栅横向粘贴在压电陶瓷上，用于感知交流电压加在压电陶瓷上所产生的应变，通过在光谱仪中观察两个谐振波长的偏移量来计算出光栅的应变，进而由所建的数学模型实现被测电压的测量；利用双光纤光栅和磁致伸缩材料的电压传感器，有效解决了电流和温度的交叉敏感问题；电光调制的法布里-珀罗干涉型电压传感器，具有较宽的频率响应范围、较高的灵敏度和较好的多额线性度；利用锗酸铋晶体作传感头的光纤电压传感器，能够较好地消除光源波长波动、环境变化等不良因素带来的误差；采用光纤布拉格光栅的金属管封装进行电调谐的方法易受外界环境的影响，并且套管产生的热量传导至栅区较慢，导致传感器对电流变化反应缓慢，热量的大量散失也降低了传感器的灵敏度；运用2×2，3×3耦合器构成的M-Z干涉仪作为光纤布拉格光栅电压传感器的波长解调系统，该电压传感器在电压小于50V的低压段及高于450V的高压段线性度不理想；以压电陶瓷调谐光纤布拉格光栅为基础的电压传感器，在一定范围内外加电压和波长移动之间的关系是线性的，但线性调谐的波长范围约为1.5nm，电压检测范围为150V，灵敏度为9.7pm/V，传感器的性能不够理想。

发明内容

本发明目的是解决现有电压传感器结构复杂、制作成本高和响应速度慢的问题，提供一种利用在电光材料上制备的随机波导光栅检测电压的传感器及其电压检测方法。该方法是将随机波导光栅作为传感头，当有电压作用到随机波导光栅时，由于光波导的电光效应，引起随机波导光栅折射率调制度和有效折射率的改变，根据随机波导光栅的反射谱与没有电压作用的光栅反射谱的相关曲线峰值对应的波长偏移与外加电压呈线性关系，实现对电压的检测。该方法结构简单灵活，有利于推广应用。

本发明的技术方案：

一种基于电光效应的随机波导光栅电压传感器，它由光栅反射谱观测模块和相关运算模块组成，光栅反射谱观测模块的输出端连接相关运算模块的输入端，相关运算模块的输出端输出相关曲线峰值对应的波长偏移；所述光栅反射谱观测模块由光源、光环行器、随机波导光栅和光谱分析仪组成，所述光源的输出端连接光环行器的输入端A，光环行器的B端连接随机波导光栅，光环行器的输出端C连接光谱分析仪的输入端；所述相关运算模块是用来实现随机波导光栅两侧电极之间施加电压和不加电压时的两个光栅反射谱的相关运算，根据相关曲线峰值对应的波长偏移与外加电压的线性关系，获得外加电压的值。

所述随机波导光栅制备于电光材料上，在平行于光栅轴向的光栅两侧加上一对电极。所述电光材料是具有电光效应，在外加电场作用下材料的折射率会发生变化的一类材料的统称，用于随机波导光栅制备的电光材料不特指、不局限于某一种。

所述随机波导光栅的反射谱和透射谱杂乱，呈现无规律的随机状态；光栅反射谱和透射谱的随机特征可以是有效折射率、折射率调制度或周期在内的影响光栅折射率的全部参数中的某一个或某几个引起的。

所述相关运算模块进行相关运算的一个光栅反射谱为光栅反射谱观测模块输出的随机波导光栅的反射谱，另一个为没有电压作用的同一随机波导光栅的本征反射谱。

一种使用上述基于电光效应的随机波导光栅电压传感器检测电压的方法，具体步骤如下：

第1、将上述基于电光效应的随机波导光栅电压传感器中的随机波导光栅置于无电压状态；然后打开光源，光源发出的入射光进入光环行器的A端，由光环行器的B端输出，经随机波导光栅反射的光再次进入光环行器的B端，由光环行器的C端输出，进入光谱分析仪，得到无电压时的随机波导光栅的反射谱(即本征反射谱)并存储起来；

第2、在所述随机波导光栅两侧施加一组固定电压，打开光源，重复第1步得到一组固定电压值下的随机波导光栅的反射谱并存储起来；

第3、将第2步得到的一组固定电压值下的随机波导光栅的反射谱分别与第1步得到的无电压时的随机波导光栅的反射谱进行互相关运算，得到一组互相关曲线，进而得到互相关曲线峰值对应的波长偏移和检测电压之间的线性变化关系；

第4、检测电压时，将所述随机波导光栅置于待检测电压下，重复第1步得到待检测电压下的随机波导光栅反射谱，通过相关运算模块将该反射谱与存储的无电压时的光栅反射谱进行互相关运算，相关运算模块的输出端输出相关曲线峰值对应的波长偏移，根据该波长偏移以及第3步得到的波长偏移和检测电压之间的线性变化关系最终得到待检测电压的大小。

上述所说的方法中，作用于随机波导光栅的电压的范围并不是无限大的，当电压大于电光材料矫顽场时会引起材料的极化反转，造成电光系数正负符号的改变，对电压检测造成影响，继续增加电压则会造成电光材料的电击穿。传感器的最大电压检测范围为-U～+U，其中U＝随机波导光栅所在电光材料的矫顽场×随机波导光栅两侧电极之间的距离。

在达到所述传感器所限制的最大电压检测范围之前，增大用于相关运算的反射谱波长范围或改用反射谱中心波长更大的波长范围进行相关运算都能够增大电压的检测范围。

采用随机波导光栅反射谱中心波长更大的波长范围进行电压检测，传感器的灵敏度会有所提升。

增加随机波导光栅两侧电极之间的距离能够增大传感器的最大电压检测范围，但会降低传感器的灵敏度。

上述所说的方法，在随机波导光栅两侧不加电极时，该方法可用来检测垂直于随机波导光栅轴向的电场或任意方向电场的垂直于随机波导光栅轴向的分量。

本发明的原理：由于电光材料的电光效应，电压作用于随机波导光栅会引起光栅折射率的改变，进而引起光栅反射谱的改变，将该光栅反射谱y(n)与作为参考的没有电压作用时的同一随机波导光栅的反射谱x(n)进行互相关运算：

其中n＝-(N-1),-(N-2),...,-1,0,1,...,N-2,N-1，N是总的采样数据点，根据互相关曲线峰值对应的波长偏移来检测电压的大小。

本发明的优点和有益效果：

本方法结构简单灵活，易于实现，有利于推广应用。电压传感器具有测量准确、灵敏度很高、简单易行、可远距离操作等优点，并且成本低廉，有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种基于电光效应的随机波导光栅电压传感器的整体原理框图。

图2为本发明所涉及的一种基于电光效应的随机波导光栅电压传感器的随机波导光栅示意图。

图3为本发明所涉及的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器实施例1的随机波导光栅各段的周期取值图。

图4为本发明所涉及的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器实施例1的无电压作用下随机波导光栅的反射谱图。

图5为本发明所涉及的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器实施例1的(a)无电压状况下的随机波导光栅反射谱，(b)无电压状况下的随机波导光栅反射谱的自相关曲线图，(c)有电压状况下的随机波导光栅反射谱和(d)有、无电压两种状况下的随机波导光栅反射谱的互相关曲线图。

图6为本发明所涉及的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器实施例1的互相关曲线峰值对应的波长偏移与电压的关系图。

图7为本发明所涉及的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器实施例2的随机波导光栅各段的周期取值图。

图8为本发明所涉及的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器实施例2的无电压作用下随机波导光栅的反射谱图。

图9为本发明所涉及的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器实施例2的互相关曲线峰值对应的波长偏移与电压的关系图(1400-1450nm)。

图10为本发明所涉及的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器实施例2的互相关曲线峰值对应的波长偏移与电压的关系图(1550-1600nm)。

其中：1为光源，2为光环行器，3为随机波导光栅，4为光谱分析仪，5为没有电压作用的随机波导光栅的本征反射谱，6为光栅反射谱观测模块输出的同一随机波导光栅的反射谱，虚线框表示相关运算模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1：

实施例中所述光源为宽带光源，随机波导光栅所在电光材料选用x切y传的铌酸锂晶体，也可以选用钽酸锂、聚合物等。将所述随机波导光栅进行分段分析，段数足够大时，可以把每一段都作为一个简单的均匀折射率光栅来处理。实施例中每段光栅的周期随机取值，引入随机特征。

如图1所示，一种基于电光效应的随机波导光栅电压传感器，它由光栅反射谱观测模块和相关运算模块组成，光栅反射谱观测模块(图1的虚线框以外)的输出端连接相关运算模块(图1的虚线框以内)的输入端，相关运算模块的输出端输出相关曲线峰值对应的波长偏移；所述光栅反射谱观测模块由光源1、光环行器2、随机波导光栅3和光谱分析仪4组成，光源1的输出端连接光环行器2的输入端A，光环行器2的B端连接随机波导光栅3，光环行器2的输出端C连接光谱分析仪4的输入端；所述相关运算模块是用来实现随机波导光栅两侧电极之间施加电压和不加电压时的两个光栅反射谱的相关运算，根据相关曲线峰值对应的波长偏移与外加电压的线性关系，获得外加电压的值。

所述相关运算模块进行相关运算的一个光栅反射谱为光栅反射谱观测模块输出的随机波导光栅的反射谱，另一个为没有电压作用的同一随机波导光栅的本征反射谱，该模块的功能是通过计算机对反射谱数据的处理和分析来实现的。

上述所说的随机波导光栅制备于电光材料上，在平行于光栅轴向的光栅两侧加上一对电极，如图2所示。电光材料具有电光效应，在外加电场作用下材料的折射率会发生变化。上述所说的随机波导光栅的反射谱和透射谱杂乱，呈现无规律的随机状态。随机波导光栅各段的周期取值如图3所示，无电压作用下随机波导光栅的反射谱如图4所示。

当有电压作用于随机波导光栅时，每段光栅的折射率变化量为

其中，r₃₃＝30.8pm/V为铌酸锂晶体的最大电光系数，n(y)为无电压作用下光栅段的折射率方程，E_z为垂直于随机波导光栅轴向的电场强度分量，n_eff和n₁分别为无电压作用下光栅段的有效折射率和折射率调制度，Λ表示光栅段折射率变化的周期，U为垂直于随机波导光栅轴向的电压分量，d为随机波导光栅的宽度。此时每段光栅的折射率可表示为

其中，n_e′_ff和n₁′分别为有电压作用下光栅段的有效折射率和折射率调制度。

本发明同时给出了一种使用上述基于电光效应的随机波导光栅电压传感器检测电压的方法，具体步骤如下：

第1、将上述基于电光效应的随机波导光栅电压传感器中的随机波导光栅置于无电压状态；然后打开光源，光源发出的入射光进入光环行器的A端，由光环行器的B端输出，经随机波导光栅反射的光再次进入光环行器的B端，由光环行器的C端输出，进入光谱分析仪，得到无电压时的随机波导光栅的反射谱x(n)并存储起来；

第2、在所述随机波导光栅两侧施加一组固定电压，打开光源，重复第1步得到一组固定电压值下的随机波导光栅的反射谱并存储起来；

第3、将第2步得到的一组固定电压值下的随机波导光栅的反射谱分别与第1步得到的无电压时的随机波导光栅的反射谱进行互相关运算，得到一组互相关曲线，进而得到互相关曲线峰值对应的波长偏移和检测电压之间的线性变化关系，如图6所示，图中的三条线是我们将光栅反射谱分成1400-1450nm、1475-1525nm和1550-1600nm三段进行三次操作得到的结果，具体数据如表1所示；

第4、检测电压时，将所述随机波导光栅置于待检测电压下，重复第1步得到待检测电压下的随机波导光栅反射谱y(n)，通过相关运算模块将该反射谱与存储的无电压时的光栅反射谱进行互相关运算：

其中n＝-(N-1),-(N-2),...,-1,0,1,...,N-2,N-1，N是总的采样数据点，电压为-100V时得到的互相关曲线如图5所示，其中，(a)图为无电压状况下的随机波导光栅反射谱，(b)图为无电压状况下的随机波导光栅反射谱的自相关曲线图，(c)图为有电压状况下的随机波导光栅反射谱，(d)图为有、无电压两种状况下的随机波导光栅反射谱的互相关曲线图。相关运算模块的输出端输出相关曲线峰值对应的波长偏移，根据该波长偏移以及第3步得到的波长偏移和检测电压之间的线性变化关系最终得到待检测电压的大小。

上述所说的作用于随机波导光栅的电压的范围并不是无限大的，当电压大于电光材料矫顽场(z轴方向铌酸锂晶体的矫顽场约为21kV/mm)时会引起材料的极化反转，造成电光系数正负符号的改变，对电压检测造成影响，继续增加电压则会造成电光材料的电击穿(实验验证的同成分铌酸锂晶体的击穿电场约为23kV/mm)。传感器的最大电压检测范围为-U～+U，其中U＝随机波导光栅所在电光材料的矫顽场×随机波导光栅两侧电极之间的距离。实施例中铌酸锂随机波导光栅两侧电极之间的距离为7μm，所以电压传感器可检测的最大电压范围约为-150V～+150V。如图6所示，本发明可实现对电压的高灵敏度检测，采用随机波导光栅反射谱1550-1600nm波长范围进行电压检测的传感器的灵敏度达到了16pm/V。

表1

实施例2：

一种基于电光效应的随机波导光栅电压传感器，如图1所示，具体结构同实施例1，此处略。

本实施例中随机波导光栅各段的周期取值如图7所示，无电压作用下随机波导光栅的反射谱如图8所示。当有电压作用于随机波导光栅时，每段光栅的折射率变化量为

其中，r₃₃＝30.8pm/V为铌酸锂晶体的最大电光系数，n(y)为无电压作用下光栅段的折射率方程，E_z为垂直于随机波导光栅轴向的电场强度分量，n_eff和n₁分别为无电压作用下光栅段的有效折射率和折射率调制度，Λ表示光栅段折射率变化的周期，U为垂直于随机波导光栅轴向的电压分量，d为随机波导光栅的宽度。此时每段光栅的折射率可表示为

其中，n_e′_ff和n₁′分别为有电压作用下光栅段的有效折射率和折射率调制度。

本发明同时给出了一种使用上述基于电光效应的随机波导光栅电压传感器检测电压的方法，具体步骤如下：

第1、将上述基于电光效应的随机波导光栅电压传感器中的随机波导光栅置于无电压状态；然后打开光源，光源发出的入射光进入光环行器的A端，由光环行器的B端输出，经随机波导光栅反射的光再次进入光环行器的B端，由光环行器的C端输出，进入光谱分析仪，得到无电压时的随机波导光栅的反射谱x(n)并存储起来；

第2、在所述随机波导光栅两侧施加一组固定电压，打开光源，重复第1步得到一组固定电压值下的随机波导光栅的反射谱并存储起来；

第3、将第2步得到的一组固定电压值下的随机波导光栅的反射谱分别与第1步得到的无电压时的随机波导光栅的反射谱进行互相关运算，得到一组互相关曲线，进而得到互相关曲线峰值对应的波长偏移和检测电压之间的线性变化关系，如图9和图10所示，当采用随机波导光栅反射谱的1400-1450nm波长范围进行互相关运算，可检测的电压范围为-50V～+50V，电压传感器的灵敏度为14.2pm/V；改用波长间隔同样为50nm的1550-1600nm波长范围进行互相关运算，可检测的电压范围为-150V～+150V，电压传感器的灵敏度为16pm/V；

第4、检测电压时，将所述随机波导光栅置于待检测电压下，重复第1步得到待检测电压下的随机波导光栅反射谱y(n)，通过相关运算模块将该反射谱与存储的无电压时的光栅反射谱进行互相关运算：

其中n＝-(N-1),-(N-2),...,-1,0,1,...,N-2,N-1，N是总的采样数据点，相关运算模块的输出端输出相关曲线峰值对应的波长偏移，根据该波长偏移以及第3步得到的波长偏移和检测电压之间的线性变化关系最终得到待检测电压的大小。

同实施例1，实施例中铌酸锂随机波导光栅两侧电极之间的距离为7μm，所以电压传感器可检测的最大电压范围约为-150V～+150V。如图9和图10所示，在达到所述传感器所限制的最大电压检测范围之前，改用反射谱中心波长更大的波长范围进行相关运算增大了电压的检测范围；采用上述所说的随机波导光栅反射谱中心波长更大的波长范围进行电压检测，传感器的灵敏度有所提升。由此可知，随机波导光栅反射谱的长波长范围对于电压检测具有更好的性能。

Claims (10)

1.一种基于电光效应的随机波导光栅电压传感器，其特征在于它由光栅反射谱观测模块和相关运算模块组成，光栅反射谱观测模块的输出端连接相关运算模块的输入端，相关运算模块的输出端输出相关曲线峰值对应的波长偏移；所述光栅反射谱观测模块由光源、光环行器、随机波导光栅和光谱分析仪组成，所述光源的输出端连接光环行器的输入端A，光环行器的B端连接随机波导光栅，光环行器的输出端C连接光谱分析仪的输入端；所述相关运算模块是用来实现随机波导光栅两侧电极之间施加电压和不加电压时的两个光栅反射谱的相关运算，根据相关曲线峰值对应的波长偏移与外加电压的线性关系，获得外加电压的值。

2.根据权利要求1所述的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器，其特征在于，所述随机波导光栅制备于电光材料上，在平行于光栅轴向的光栅两侧加上一对电极；所述电光材料是具有电光效应，在外加电场作用下材料的折射率会发生变化的一类材料的统称，用于随机波导光栅制备的电光材料不特指、不局限于某一种。

3.根据权利要求1或2所述的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器，其特征在于，所述随机波导光栅的反射谱和透射谱杂乱，呈现无规律的随机状态；光栅反射谱和透射谱的随机特征是有效折射率、折射率调制度或光栅周期在内的影响光栅折射率的全部参数中的某一个或某几个引起的。

4.根据权利要求1所述的基于电光效应的随机波导光栅电压传感器，其特征在于，所述相关运算模块进行相关运算的一个光栅反射谱为光栅反射谱观测模块输出的随机波导光栅的反射谱，另一个为没有电压作用的同一随机波导光栅的本征反射谱。

5.一种使用权利要求1所述基于电光效应的随机波导光栅电压传感器检测电压的方法，其特征在于具体步骤如下：

第1、将权利要求1所述基于电光效应的随机波导光栅电压传感器中的随机波导光栅置于无电压状态；然后打开光源，光源发出的入射光进入光环行器的A端，由光环行器的B端输出，经随机波导光栅反射的光再次进入光环行器的B端，由光环行器的C端输出，进入光谱分析仪，得到无电压时的随机波导光栅的反射谱并存储起来；

第2、在所述随机波导光栅两侧施加一组固定电压，打开光源，重复第1步得到一组固定电压值下的随机波导光栅的反射谱并存储起来；

第3、将第2步得到的一组固定电压值下的随机波导光栅的反射谱分别与第1步得到的无电压时的随机波导光栅的反射谱进行互相关运算，得到一组互相关曲线，进而得到互相关曲线峰值对应的波长偏移和检测电压之间的线性变化关系；

第4、检测电压时，将所述随机波导光栅置于待检测电压下，重复第1步得到待检测电压下的随机波导光栅反射谱，通过相关运算模块将该反射谱与存储的无电压时的光栅反射谱进行互相关运算，相关运算模块的输出端输出相关曲线峰值对应的波长偏移，根据该波长偏移以及第3步得到的波长偏移和检测电压之间的线性变化关系最终得到待检测电压的大小。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，作用于随机波导光栅的电压的范围并不是无限大的，当电压大于电光材料矫顽场时会引起材料的极化反转，造成电光系数正负符号的改变，对电压检测造成影响，继续增加电压则会造成电光材料的电击穿；传感器的最大电压检测范围为-U～+U，其中U＝随机波导光栅所在电光材料的矫顽场×随机波导光栅两侧电极之间的距离。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在达到所述传感器所限制的最大电压检测范围之前，增大用于相关运算的反射谱波长范围或改用反射谱中心波长更大的波长范围进行相关运算都能够增大电压的检测范围。

8.根据权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于，采用随机波导光栅反射谱中心波长更大的波长范围进行电压检测，传感器的灵敏度会有所提升。

9.根据权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于，增加随机波导光栅两侧电极之间的距离能够增大传感器的最大电压检测范围，但会降低传感器的灵敏度。

10.根据权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于，在随机波导光栅两侧不加电极时，该方法可用来检测垂直于随机波导光栅轴向的电场或任意方向电场的垂直于随机波导光栅轴向的分量。

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